聚焦離子束（Focused-Ion-Beam, FIB）技術(shù)是一種先進的微納加工與分析手段。其基本原理是通過電場和磁場的作用，將離子束聚焦到亞微米甚至納米級別，并利用偏轉(zhuǎn)和加速系統(tǒng)控制離子束的掃描運動，實現(xiàn)微納圖形的監(jiān)測分析以及微納結(jié)構(gòu)的無掩模加工。

FIB系統(tǒng)基本組成

FIB系統(tǒng)由多個關(guān)鍵部分組成，如圖1所示。離子源是系統(tǒng)的核心，通常采用液態(tài)金屬離子源，如鎵離子源。針型液態(tài)金屬離子源的尖端是一個直徑約幾微米的鎢針，針尖正對著孔徑。在外加電場的作用下，加熱金屬使其液態(tài)化并浸潤針尖，從而形成離子流。離子源發(fā)射的離子經(jīng)過光闌限束后，由聚焦系統(tǒng)聚焦，再通過不同孔徑的可變光闌，得到束流可控的離子束。離子束在偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)的控制下，按照特定路徑進行掃描，最終通過物鏡入射到樣品表面。

由于離子轟擊襯底會產(chǎn)生二次電子，通過掃描電子顯微鏡（Scanning Electron Microscope, SEM）可以監(jiān)測二次電子，從而獲得樣品表面的形貌圖。這種同時具備FIB加工和觀測功能的系統(tǒng)通常被稱為雙束系統(tǒng)，例如FIB-SEM雙束系統(tǒng)和FIB-TEM雙束系統(tǒng)。金鑒實驗室具備Dual Beam FIB-SEM業(yè)務(wù)，包括透射電鏡( TEM)樣品制備，材料微觀截面截取與觀察、樣品微觀刻蝕與沉積以及材料三維成像及分析等。

FIB與電子束/光學(xué)光刻的對比

1.加工過程

FIB、電子束光刻（Electron Beam Lithography, EBL）和光學(xué)光刻（Photolithography）三種加工方式的本質(zhì)都是將圖形轉(zhuǎn)移到特定襯底上，但由于工藝不同，其步驟和復(fù)雜程度也有所不同。光刻和EBL需要通過光或電子束使光刻膠變性，再通過顯影將變性的光刻膠洗掉，從而將圖案轉(zhuǎn)移到光刻膠上。隨后，通過刻蝕工藝將圖案轉(zhuǎn)移到襯底上。而FIB則可以直接利用離子束對樣品表面進行定點轟擊，完成微納結(jié)構(gòu)加工，無需光刻膠和掩模版。

2.從刻蝕角度分析三者

雖然三者都需要通過離子將特定位置的原子剝離以完成圖案轉(zhuǎn)移，但具體使用的離子和刻蝕方式有所不同。FIB需要離子源對環(huán)境條件要求低，并且能提供大束流。其刻蝕過程為物理過程，濺射逸出的顆粒大部分被真空泵抽走，但部分顆粒會掉落在刻蝕區(qū)域附近，尤其在刻蝕大深寬比器件時，這種現(xiàn)象更為嚴重，可能會對光學(xué)器件的性能產(chǎn)生較大影響。相比之下，光刻和電子束光刻大多采用電感耦合等離子體反應(yīng)離子刻蝕（Induction Coupling Plasma-Reactive Ion Etching, ICP-RIE）。這種刻蝕方法結(jié)合了物理和化學(xué)過程，在離子對襯底的濺射基礎(chǔ)上，增加了離子與襯底的化學(xué)反應(yīng)并生成氣體。通過抽氣裝置和調(diào)節(jié)氣體流速，可以及時將襯底表面的氣體抽運走，從而不影響加工精度。

3.從加工速度分析

在加工速度方面，光刻是最快的，且吞吐量最大，能夠批量生產(chǎn)大量芯片。而EBL和FIB需要使用位移系統(tǒng)對刻蝕區(qū)域進行掃描。電子束只需誘導(dǎo)電子抗刻蝕劑變性，時間相對較短；而FIB需要對輻照區(qū)域進行剝離，對于面積大、深度深、精度高的刻蝕任務(wù)，所需時間較長。此外，光刻和EBL在刻蝕過程中由于有光刻膠保護，可以采用整體刻蝕，時間大大減少。

4.對比總結(jié)與光刻和電子束光刻相比，F(xiàn)IB的加工步驟明顯減少，能夠?qū)崿F(xiàn)“即刻加工，所見即所得”，并且可以沉積微小結(jié)構(gòu)。

其載物臺可以實現(xiàn)多軸移動，結(jié)合離子注入可以控制結(jié)構(gòu)的內(nèi)部應(yīng)力，從而加工復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)。

FIB應(yīng)用

1.微納結(jié)構(gòu)制備

FIB在微納結(jié)構(gòu)制備方面具有獨特優(yōu)勢。與電子束光刻相比，F(xiàn)IB省去了繁瑣的步驟，大大減少了加工參數(shù)的摸索時間，同時可以加工特征尺寸特別小的結(jié)構(gòu)（幾十納米）。然而，其加工面積較小，加工的側(cè)壁可能不夠陡直。

2.芯片修補與線路編輯

FIB的離子束加工功能使其不僅可以刻蝕，還可以利用高能離子輻照誘導(dǎo)特定區(qū)域發(fā)生化學(xué)氣相沉積反應(yīng)。結(jié)合離子束轟擊產(chǎn)生的二次電子，可以觀察樣品表面形貌圖像。FIB的“看”、“刻”、“生長”功能使其非常適用于芯片或掩模（Mask）的缺陷修復(fù)，例如切斷短路、對斷路進行沉積等。

3.透射電鏡（TEM）制樣

透射電鏡（TEM）樣品需要非常薄，以便電子能夠穿透并形成衍射圖像。FIB的靈活多軸載物臺可以對樣品進行復(fù)雜操作，從而輕松完成TEM樣品的制備。